第2节 决定导体电阻大小的因素（课件PPT）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（粤教版）

第二节　决定导体电阻大小的因素 核心素养导学 物理观念 (1)知道电阻的概念，理解电阻定律。 (2)知道电阻率的概念及决定因素。 科学思维 会应用电阻定律进行计算，并能解释相关的物理现象。 科学探究 探究金属导体的电阻与长度、横截面积和材料的定量关系。 科学态度与责任 (1)通过实验分析得出导体的电阻大小的决定因素，学会科学的研究方法。 (2)了解超导现象，体会电阻率在科技、生活中的应用。 一、电阻定律 1．探究影响导体电阻的因素 (1)电路图：(如图所示) (2)结论：对于同种材料的导体，在横截面积保持不变时，导体的电阻与___________成正比；在长度保持不变时，导体的电阻与________________成反比。对于不同材料的导体，在导体的长度和横截面积保持不变时，导体的电阻与_____有关。 导体的长度 导体的横截面积 材料 2 长度l 横截面积S 材料 欧姆米 Ω·m 不同 导电性能 增大 1.导体两端的电压为零时，导体的电阻也为零吗？ 提示：电阻是导体本身的固有属性，与导体两端的电压和通过导体的电流无关，电压为零时，电阻不为零。 2．如图所示，将一条长度为l、截面直径为d的铂丝绕成一线圈，与电源、灯泡、电流表、电压表、开关组成一电路。闭合开关，观察灯泡的亮度，记下此时电流表和电压表的示数；然后用酒精灯对铂丝加热，再观察灯泡的亮度，记录电流表和电压表的示数。 (1)酒精灯未加热时，能否求出铂丝的电阻？ (2)酒精灯加热前后灯泡亮度是否变化？请解释看到现象的原因。 新知学习(一)|对电阻定律的理解 [任务驱动] 滑动变阻器是利用材料对电流产生阻碍作用的特性制造的电路元件，是电器设备中应用最多的元件之一。如图所示的滑动变阻器，它有四个接线柱A、B、C、D，为什么当滑动触头P滑动时可以改变接入电路的电阻呢？ 提示：当滑动触头P滑动时，滑动变阻器接入电路中电阻丝的有效长度发生了变化，故电阻发生改变。　　　 [典例体验] [典例]　两根完全相同的金属导线A和B，如果把其中的一根导线A均匀拉长到原来的2倍，把另一根导线对折后绞合起来，则它们的电阻之比为多少？ [答案]　16∶1 [针对训练] 1．欧姆不仅发现了欧姆定律，还研究了电阻定律。有一个长方体金属电阻，材料分布均匀，边长分别为a、b、c，且a＞b＞c，电流沿以下方向流过该金属电阻，其中电阻阻值最小的是 (　 ) 答案：A　 2．(多选)在半导体工艺里经常需要测定金属薄膜厚度，目前采用的方式是通过测定电阻而间接测得薄膜厚度，查询资料获知构成该薄膜金属材料的电阻率ρ，取一块厚度均匀、边长为L的正方形该金属薄膜，在薄膜两端施加恒定电压U。通过薄膜的电流方向如图所示，测定出流过薄膜的电流I，即可推导出薄膜厚度d，则 (　 ) A．电流I越大，则薄膜厚度d越小 B．电流I越大，则薄膜厚度d越大 C．正方形边长L越大，所测定的电阻值越大 D．正方形边长L改变，所测定的电阻值不变 答案：BD 新知学习(二)|对电阻率的理解 [任务驱动] 几种导体材料的电阻率如表格所示。 材料 电阻率/(Ω·m) 0 ℃ 20 ℃ 100 ℃ 银 1.48×10－8 1.6×10－8 2.07×10－8 铜 1.43×10－8 1.7×10－8 2.07×10－8 铝 2.67×10－8 2.9×10－8 3.80×10－8 钨 4.85×10－8 5.3×10－8 7.10×10－8 铁 0.89×10－7 1.0×10－7 1.44×10－7 锰铜合金 4.4×10－7 4.4×10－7 4.4×10－7 镍铜合金 5.0×10－7 5.0×10－7 5.0×10－7 (1)电阻率与哪些因素有关？ 提示：与导体的材料和温度有关。 (2)金属导体的电阻率与温度有怎样的关系？ 提示：纯金属的电阻率随温度的升高而增大，合金金属的电阻率几乎不受温度的影响。　　　　 [重点释解] 1．电阻与电阻率的对比 ②要使滑动变阻器起分压作用，要将AB全部接入电路，另外再选择A与C(或D)、B与C(或D)与负载相连，当滑片P移动时，负载将与AP间或BP间的不同长度的电阻丝并联，从而得到不同的电压。 ③作用：限制调节电路中的电流，在电路连接时，闭合开关前必须检查滑动变阻器。 答案：B　 2．有一根长1.22 m的导线，横截面积为0.10 mm2。在它两端加0.60 V的电压时，通过它的电流正好是0.10 A。则这根导线是由什么材料制成的？(下表是常温下几种材料的电阻率，单位为Ω·m) (　 ) A．铜 B．锰铜合金 C．镍铜合金 D．铝 材料 铜 锰铜合金 镍铜合金 铝 ρ/(Ω·m) 1.7×10－8 4.4×10－7 5.0×10－7 2.9×10－8 答案：C　 3．如图为滑动变阻器的示意图，A、B、C、D为4个接线柱，当滑 片P由C向D移动时，若要使变阻器接入电路的电阻由大变小， 应将变阻器的哪两个接线柱连入电路 (　 ) A．A和B B．A和D C．B和C D．C和D 解析：连A和B时，连入电路中的是一个定值电阻(最大电阻)，这种接法是不能变阻的，故A错误；连A和D时，连入电路中的电阻丝是PA部分，当滑片P由C向D滑动时，PA电阻丝长度变短，电阻变小，故B正确；连B和C时，连入电路中的电阻丝是PB部分，滑片P由C向D移动时，PB部分的电阻变大，故C错误；连C和D时，电阻丝没有接入电路，滑片移动不能改变连入电路电阻的大小，故D错误。 答案：B　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——盐水柱的电阻 1．(选自人教版教材课后练习)某同学想探究导电溶液的电阻随长度、横截面积的变化规律。他拿了一根细橡胶管，里面灌满了盐水，两端用粗铜丝塞住管口，形成一段封闭的盐水柱。他量得盐水柱的长度是30 cm，并测出盐水柱的电阻等于R。现握住橡胶管的两端把它拉长，使盐水柱的长度变为40 cm。如果溶液的电阻随长度、横截面积的变化规律与金属导体相同，此时盐水柱的电阻应该等于多少？ 科学态度与责任——超导现象 2．(选自教科版教材“发展空间”)1911年，荷兰莱顿大学的卡末林-昂内斯(Kamerlingh-Onnes,1853—1926)意外地发现，将汞冷却到－268.98 ℃时，其电阻会突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有低温下失去电阻的特性，称为超导态。卡末林-昂内斯因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。此后，人们把处于超导态的导体称为“超导体”。 导体的电阻在一定的低温下会突然消失，实现这一转变的温度被称为临界温度。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不会发生热损耗，可以毫无阻碍地在导线中形成强大的电流。 我国科学家对超导现象的研究做出了巨大贡献。2001年4月，340m铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功，并于年末建成第一条铋系高温超导线材生产线。2001年5月，北京有色金属研究总院采用自行设计研制的设备，成功地制造出国内最大面积的高质量双面钇钡铜氧超导薄膜，达到国际同类材料的先进水平。2017年1月9日，中国科学院物理研究所赵忠贤院士获国家最高科学技术奖。超导长达百余年的研究史中，关于高温超导有两次重大突破，赵忠贤及其合作者都取得了重要成果，分别是：1987年独立发现液氮温区高温超导体，2008年以后发现系列50 K以上铁基高温超导体并创造了55 K的纪录。 请思考：超导体中一旦有了电流，还需要电源来维持吗？ 提示：由于超导体电阻为零，超导体中一旦有了电流，就不需要电源来维持了。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．鸟儿落在110 V的高压输电线上，虽然通电的高压线是裸露电线，但鸟儿仍安然无恙，这是因为 (　 ) A．鸟有耐高压的天性 B．鸟儿是干燥的，所以鸟体不导电 C．鸟两脚间的电压几乎为零 D．鸟体电阻极大，所以无电流通过 解析：当小鸟两脚站在一根线上时，两脚之间的导线的距离非常小，故两脚之间的导线的电阻非常小，故小鸟两端的电压很小，接近于零，故不会对小鸟造成危害，故C正确。 答案：C　 2．在神经系统中，神经纤维分为有髓鞘和无髓鞘两大类。现代生物学认为，髓鞘是由多层类脂物质——髓质累积而成的，具有很大的电阻，经实验测得髓质的电阻率ρ＝8×106 Ω·m。某生物体中某段髓质神经纤维可视为高为20 cm、半径为4 cm的圆柱体，当在其两端所加电压U＝100 V时，该神经纤维发生反应，则引起神经纤维产生感觉的最小电流为 (　 ) A．0.31 μA B．0.62 μA C．0.15 μA D．0.43 μA 答案：A 3．家用电热水器，在使用时具有漏电危险，当发生漏电时，电流会经过水管中的水与人体相连从而发生意外事故。“隔电墙”可以在一定程度上保护人体的安全，其装置如图甲所示，其内部结构是一个螺旋状的绝缘管道，结构如图乙，它实质上是将水管的水道变得更细更长，安装位置如图丙。下列说法正确的是 (　 ) A．“隔电墙”是通过增加管道中水的电阻来减小电流从而保护人体安全 B．“隔电墙”是靠减小水流速度来减小电流从而保护人体安全 C．“隔电墙”是通过增加管道中水的电阻率从而保护人体安全 D．“隔电墙”能完全隔断电流从而保护人体安全 答案：A　 2．电阻定律 (1)内容：在一定温度下，均匀导体的电阻R与它的______成正比，与它的___________成反比。 (2)公式：R＝_______，式中ρ为比例常量，反映______对导体电阻的影响。 虽然电阻R＝，但电阻与电压、电流无关，而是由导体本身决定的。　　 ρ 二、电阻率 1．电阻率的计算：ρ＝______。 2．电阻率的单位：_______，符号_____。 3．不同导体的电阻率是_____的，是一个反映材料_________的物理量，材料的电阻率随温度的变化而变化，一般金属材料的电阻率随温度的升高而______。 提示：(1)能。可根据电流表和电压表的示数求出铂丝的电阻。 (2)灯泡亮度变暗。由电流表和电压表此时的示数求出铂丝的电阻，发现铂丝电阻变大，而长度和横截面积几乎不变，根据公式R＝ρ，可知其电阻率变大了，说明铂的电阻率随温度升高而变大。 [重点释解] 1．对电阻定律的理解 (1)R＝ρ是导体电阻的决定式，其中ρ为材料的电阻率，它与材料和温度有关。 (2)导体的电阻由ρ、l、S共同决定，在同一段导体的拉伸或压缩形变中，导体的横截面积、长度都发生变化，但总体积以及电阻率不变。 (3)一定材料、一定几何形状导体的电阻还与其接入电路的具体方式有关。 2．R＝与R＝ρ的区别与联系 R＝ρ R＝ 区别 定义 电阻定律的表达式，也是电阻的决定式 电阻的定义式，R与U、I无关 作用 提供了测定电阻率的一种方法——ρ＝R 提供了测定电阻的一种方法——伏安法 适用范围 适用于粗细均匀的金属导体或浓度均匀的电解液、等离子体 纯电阻元件 联系 R＝ρ对R＝补充说明了导体的电阻不是取决于U和I，而是取决于导体本身的材料、长度和横截面积 [解析]　金属导线原来的电阻为R＝ρ，拉长后l′＝2l，因为体积V＝lS不变，所以S′＝，R′＝ρ＝4ρ＝4R。对折后l″＝，S″＝2S，所以R″＝ρ＝ρ＝，则R′∶R″＝16∶1。 /方法技巧/ 应用R＝ρ解题的技巧 (1)明确导体的形状改变后，电阻率不会发生变化。 (2)导体的形状改变后，体积不变，由V＝l1S1＝l2S2确定l2与l1、S2与S1的关系。 (3)由R＝ρ确定电阻关系。　　 解析：根据电阻定律R＝ρ，导线越短、横截面积越大，电阻越小，A正确。 解析：根据电阻定律可知，薄膜电阻为R＝ρ＝，可知所测定的电阻值R与正方形边长L无关，故D正确，C错误；根据欧姆定律得R＝，可得d＝，可知d与I成正比，电流I越大，则薄膜厚度d越大，故B正确，A错误。 电阻R 电阻率ρ 描述对象 导体 材料 物理意义 反映导体对电流阻碍作用的大小，R大，阻碍作用大 反映材料导电性能的好坏，ρ大，导电性能差 决定因素 由材料、温度和导体形状决定 由材料、温度决定，与导体形状无关 单位 欧姆(Ω) 欧姆米(Ω·m) 联系 R＝ρ，ρ大，R不一定大，导体对电流阻碍作用不一定大；R大，ρ不一定大，导体导电性能不一定差 2.R＝ρ应用实例——滑动变阻器 (1)原理：利用改变连入电路的电阻丝的长度改变电阻。 (2)在电路中的使用方法：结构简图如图所示。 ①要使滑动变阻器起限流作用，正确的连接是接A与C(或D)、B与C(或D)，即“一上一下”。 [针对训练] 1．关于材料的电阻率，下列说法正确的是 (　 ) A．电阻率ρ的单位是Ω B．金属材料的电阻率随温度的升高而增大 C．把一根长导线截成等长的三段，则每段导线的电阻率都是原来的 D．电阻率是反映材料导电性能好坏的物理量，电阻率越大的材料导电性能越好 解析：根据电阻率ρ＝知，电阻率ρ的单位是Ω·m，A错误；金属材料的电阻率随温度的升高而增大，B正确；电阻率是材料本身的一种电学特性，与导体的长度、横截面积无关，C错误；电阻率是反映材料导电性能好坏的物理量，电阻率越大的材料导电性能越差，D错误。 解析：由R＝及R＝ρ得ρ＝≈4.92×10－7Ω·m，所以导线是由镍铜合金制成的，故选C。 提示：盐水柱的体积不变，所以l1S1＝l2S2。如果溶液的电阻也遵从电阻定律，得R1＝ρ，R2＝ρ。因此，＝＝2＝2＝，R2＝R1＝R。 解析：根据电阻定律，可得神经纤维的电阻为R＝ρ＝8×106× Ω≈3.18×108 Ω，根据闭合电路欧姆定律I＝＝ A≈0.31×10－6 A＝0.31 μA，故A正确，B、C、D错误。 解析：根据电阻定律可知R＝ρ，水的电阻率不变，在该情况下，将水流变长，横截面积变小来增大电阻，减小电流，从而对人体起到保护作用，但不能完全隔断电流。故选A。 $$